ANKARA ÜNİVERSİTESİ NÜKLEER BİLİMLER ENSTİTÜSÜ NÖTRON VE REAKTÖR FİZİĞİNE GİRİŞ 101513 NÖTRON VE REAKTÖR FİZİĞİNE GİRİŞ PROF. DR. HALUK YÜCEL

(1)

ANKARA ÜNİVERSİTESİ

NÜKLEER BİLİMLER ENSTİTÜSÜ

NÖTRON VE REAKTÖR FİZİĞİNE

GİRİŞ

101513

NÖTRON VE REAKTÖR FİZİĞİNE GİRİŞ PROF. DR. HALUK YÜCEL

(2)

Nötron ve Reaktör Fiziğine Giriş

Bu iki alt dal, nükleer fiziğin tarihsel gelişimi sürecinde 1939 yılından sonra ortaya çıkmıştır.

Nükleer fizik temel iki problem üzerinde araştırmalarını yoğunlaştırır.

1. Çekirdek Kuvvetleri: Çekirdeği bir arada tutan kısa menzilli güçlü etkileşmeleri

temsil eden kuvvetler.

2. Çekirdeklerin dinamik davranışları: Çok sayıda parçacıktan (nükleon) oluşan

(3)

Nükleer Fiziğin Tarihsel Gelişiminde

Önemli Fizik Olayları

• 1896 - Radyoaktivitenin keşfi (Henry Becquerel), bu keşif belirli radyoaktif

mineralin yakınına yerleştirilen fotografik plakaların “tesadüfi” olarak siyahlaşmasının farkına varılması ile başlamıştır.

• 1898 - Radyum elementinin mineralden kimyasal olarak ayrılması (Pierre &

Marie Curie)

• 1905 - Özel relativite teorisi (Albert Einstein) • 1909 - 1911 Rutherford atom modeli:

 Rutherford ve çalışma arkadaşları, radyoaktif olarak bozunan bir maddenin

kimyasal formunda bir değişiklik olması gerektiği fikrini ileri sürdüler. Örn.

(4)

 Rutherford ve arkadaşları radyasyonlarını keşfettiler.

• 1911 - Geiger & Marsden, -saçılma deneyinin sonuçlarını Rutherford

yorumladı, ancak bugün bilinen modelden eksik olan bu modele “Rutherford Atom Modeli” denir.

Şekil-1. Rutherford deney düzeneği

Şekil-2 Rutherford deney düzeneği

(5)

Atom Modeli: Etrafı elektronlar tarafından çevrelenen ve yarıçapı 10-18 _{cm olan bir}

atom ve bundan daha küçük ( 10-12 _{cm) pozitif elektrik yüklü ve daha ağır kütleye}

sahip bir çekirdekten bir atom oluşur (Bugün için daha detaylı biliniyor !).

 Elektriksel yükü nötr bir atomda, çekirdeğin taşıdığı pozitif yüklerin sayısı,

elektronların sayısına eşittir.

 Elektronların, çekirdek etrafında döndüğünü ise 1913 yılında Bohr açıkladı. • 1912 - İzotopların keşfi (J. J. Thomson)

• 1919 - Etki ile (Induced) nükleer transmütasyonu (Rutherford)

• 1928 - Kuantum mekaniğinin radyoaktivite olayını naçıklanmasında

uygulanması.

• 1934 - Alfa Bozunması için (Gamow, Gurney Condon)

Beta Bozunması için (Fermi)

• 1932 - Nötronun keşfi (Chadwick ) • 1932 - n – p hipotezi (Heisenberg)

(6)

• 1932 - Pozitronun keşfi (Anderson)

• 1935 - Nükleer kuvvetlerde mezonun rolü (Yukawa)

• 1946 - – mezonunun keşfi (Powell) Nükleer kuvvetlerde karşılıklı değişen

parçacıklar (mezonlar) kuvvetin esas özellikleri

• 1939 - Fisyonun Keşfi (Hahn & Strassmann)

• 1940 - İlk uranyum üretilmesi ve zenginleştirilmesi. • 1942 – İlk kontrollü fisyon (McMillan & Seabus, Fermi) • 1945 – İlk atom (fisyon) bombası denemesi

• 1952 – İlk hidrojen (termonükleer) bomba denemesi

• 1956 – Beta bozunmasında paritenin korunumsuzluğu (Lee, Yang, Wu). Zayıf

(7)

İzotoplar

• Günümüzde 109 + 1 elementin var olduğu biliniyor. Bunlardan sadece 81 tanesi

kararlıdır. En ağır olan Z= 83 (Bizmut). Geriye kalan 28 tane element radyoaktiftir ve en ağır olan element uranyum (Z= 92)’ dur.

• Günümüzde 1700 – 1800 (3000 ve daha fazlası) civarında nüklit tanımlanmıştır. • Doğada 340 nüklit bulunur. Diğerleri yapay olarak üretilir.

• Sadece 270 nüklit kararlıdır, geriye kalanlar radyoaktiftir. • Hidrojen 3 tane, Platin 29 tane izotopa sahiptir.

• Yeni keşfedilen elementler; 101Md (258), 102 No (259), 107,112 (Darmstad), 114

(8)

(9)

(10)

Nötronların Nükleer Etkileşmesi ve

Üretilmesi

Nötronların Fiziksel Özellikleri

1932 CHADWICK Nötronların Keşfi

9_Be(α,n)12_C

9_{Be + α} 12_{C + n (t}

1/2 = 10,24 dk.)

Nötronlar:

1. Serbest parçacıklar olarak “kararlı” değildirler.

2. Çekirdek içinde “kararlı” bir parçacık olarak kaldığı günümüze kadar test edilmek üzere varsayıldı.

(11)

4. Deuteron nötron + proton

m_d = m_n + m_p + Q Nötronun kütlesi: m_n= m_d -m_p+

E_d ≈ 2.223 MeV

• Mass Defect – Kütle Kusuru

M – A = Δ = Δm.c2 _{= amu x 931,5} _{ΔM =Z(m}

p+me)+(A-Z)mn-M(A,Z) ∆

(12)

Bazı Hafif Kütleli Parçacıkların Özelikleri

Parçacık Kütle (g) Enerji Eşdeğeri Δ (MeV) Kütle (Atom Ağırlığı Biriminde) Yükü Spin (J*₎ Magnetik Moment Nötron (n) 1.67466x10-24 _8.071 _1.0086654 ≡ 0 < 10-18 _e (1/2)+ -1.913148 NM2 Proton (p) 1.672357x10-24 _6.778 _1.007276 _{+ e} _(1/2)+ _{2.79270 NM} H – atom ( 𝑯_𝟏𝟏 _{) 1.673268x10}-24 _7.289 _1.0078252 _Nötral _- -Döteron ( 𝑯_𝟏𝟐 _{) 3.343057x10}-24 _13.136 _2.013554 _{+ e} ₁ _{0.857407 NM} Elektron (e) 9.1081x10-28 _0.511 _5.4859x10-4 _{- e} _1/2 _{1.001159 NM}

(13)

• 1 u = atomik kütle birimi (a.k.b.) = x 12C = 1.66027x1024 g

Bunun enerji eşdeğeri E = mc2_{, 1 u ≈ 931.5 MeV}

Tek bir 12_{C atomu = 2x10}-23_g

• 1 NM = ℏ 0.505038x10-23 erg/gauss

1 M = ℏ = 0.927249x10-20 _erg/gauss

E = mc2 _{= 1.66x10}-24_(3x1010₎2 _{= 1.49x10}-3 _erg

(14)

Sıvı Damlası Çekirdek Modelinde Bağlanma

Enerjisi

E_B = E_yüzey + E_hacim + E_coul + E_simetri + E_{çift_tek etkileşimi}

• “Gerçek” çekirdekler ise “sonlu” büyüklüktedirler ve genellikle küresel bir şekilde

oldukları kabul edilir. Bu sebepten, yüzeydeki nükleonlar, tahmin edilenden daha az çekilirler.

• Yüzey Enerjisi: Yüzeydeki nükleonların sayısı A veya yüzey alanı 4πR2

Yüzeydeki nükleonların sayısıyla orantılı bir yüzey terim; çekirdeğin “yüzey enerjisi” çekirdek alanı ile doğru orantılıdır.

E_area ≡ a_S A2/3

“Sonsuz” Nükleer Madde İçinde “Küresel” bir çekirdek

(15)

• Hacim enerjisi: Formülün ana terimi; çekirdeğin hacmiyle kabaca orantılı veya

çekirdekteki nükleon sayısıyla orantılı terim E_vol = a_V A

• Nükleer kuvvetler çok kısa menzilli olduklarından, her parçacık komşusu olduğu

belirli sayıda parçacığı görür ve bu komşu nükleonlardan “çekici kuvvetler” bir bağlanma enerjisi sonucuna (E_V) götürür ki bu E_V, nükleer hacimdeki tüm parçacıklar için yaklaşık aynıdır. Bu sebepten, Toplam Bağlanma Enerjisi B.E_tot A, yaklaştıkça A – nükleon sayısıyla orantılıdır. Bu terim, nükleer kuvvetlerin “ yükden bağımsız” varsayımı gibi faktörlere bağımlılık gösterir. Bundan (n,n), (p,p) ve (p,n) nükleer etkileşmelerinin aynı olduğu (identical) sonucu çıkarılabilir.

(16)

• Coulomb enerjisi: R = r_o A1/3 ortalama yarıçaplı küresel simetrik nükleon

grubunda Z tane protonun birlikte paketlenmiş olması durumundaki protonların potansiyel enerjisine “Coulomb itme” terimi denir.

• _/ ( _/ )

• Düzgünce (uniformly) yüklenmiş küresel bir hacimde, r – yarıçaplı bir küreye “dr”

kalınlığı eklenirse,

Yük: 4πr2_dr.ρ

(17)

• Coulomb kuvvetleri,

Protonların çiftleri arasındaki etkili olmasına rağmen, uniform yüklenmiş, Ze yüklü bir kürenin “yük yoğunluğu”, ρ göz önüne alınması “Coulomb Enerjisi”, E_C bulmak için yeterlidir.

Z’ _{tane proton yükü ≡ Kütledeki yükün bir noktasal eşdeğeri}

(1) (2) Orijinal küreye (yükü R3_{ρ), dr kalınlığında bir yük eklenirse, yapılacak ilave}

işin hesabı için, küresel yükün küre merkezinde noktasal yoğunlaştığını ve bir kabuksal yükün bunu kapsadığını düşünürsek;

(18)

Çekirdeğin potansiyel enerjisi,

∫

(3)

×

(4) (2) denklemi (4)’te yerine konursa,

(5) Ancak (5) ile verilen Coulomb enerjisi, her proton için ’lik hayali bir “self-enerji” terimi ihtiva eder. Çünkü tüm çekirdek üzerinde her protonun yükünün kullanıldığını kabul etmiştik ki bir dalga fonksiyonu resmiyle uyumlu olması gerekir.

(19)

Bunun için, Z tane proton için fazlalık enerji terimi hesaplanır ve (5) denklemindeki çekirdek elektrik potansiyel enerjisinden çıkartılarak “etkileşme enerjisi” düzeltmesi yapılmış olur.

/